И. Основни принципи резолвера са променљивом релукцијом
Прво, да би се разумео дизајн, мора се разумети његове фундаменталне разлике од традиционалних разређивача намотаног ротора:
· Традиционални резолвер:
И статор и ротор имају намотаје. Сигнал побуде и излазни сигнал су електромагнетно индуковани преко ваздушног процепа.
· Ресолвер са променљивом релукцијом (ВР):
Само статор има намотаје . Ротор је
ненамотана феромагнетна компонента направљена од истакнутих полова или зупчасте структуре. Његов принцип рада је заснован на
варијацији невољности.
о Намотаји статора:
Обично укључују један побудни намотај (примарни) и два излазна намотаја (синусни и косинусни намотаји, секундарни) који су просторно ортогонални (90 електричних степени један од другог).
о Ротација ротора:
Када се ротор са истакнутим половима ротира, мења дужину ваздушног зазора и отпор магнетног кола.
о Модулација сигнала:
Варијација релуктантности ваздушног јаза модулира (амплитудна модулација) амплитуду напона индуковану у излазним намотајима магнетним пољем побуде. Амплитудни омотачи два излазна намотаја су синусоидна и косинусна функција угла ротора, респективно.
Његове предности су: једноставна структура, робусна и издржљива (без четкица), ниска цена, висока поузданост, способност да издржи окружења велике брзине и високе температуре . Недостатак је у томе што су тачност и линеарност обично нешто ниже од оних код високопрецизних резолвера са намотаним ротором.
ИИ. Процес пројектовања и кључна разматрања
Процес дизајна је итеративан и обично прати ове кораке:
1. Дефинишите спецификације дизајна
Ово је почетна тачка за све дизајне и прво се мора разјаснити:
· Број парова полова (П):
Одређује однос између електричних и механичких углова (θ_електрични = П * θ_механички). Уобичајене конфигурације су 1 пар полова (униполарни) и 2 пара пола (биполарни). Број парова полова утиче на тачност и максималну брзину.
· Захтеви за тачност:
Обично се изражавају у лучним минутама (′) или милирадијанима (мрад). Дизајни високе прецизности захтевају изузетно високе захтеве за производњу, материјале и потискивање хармоника магнетног поља.
· Улазни побудни сигнал:
амплитуда побудног напона, фреквенција (уобичајени су 4кХз, 10кХз, итд.), облик таласа (обично синусоидан).
· Однос трансформације (ТР):
Однос излазног напона и улазног напона (на позицији максималног споја).
· Електрична грешка:
Укључује грешку функције, грешку нулте напоне, грешку фазе итд.
· Радно окружење:
Температурни опсег, вибрације, ударци, влажност, степен заштите од уласка (ИП).
· Ограничења величине:
спољни пречник, унутрашњи отвор, дебљина (дужина).
· Параметри импедансе:
Улазна/излазна импеданса, утиче на усклађивање са наредним колима.
2. Електромагнетни дизајн – језгро
· Дизајн ламинације статора/ротора:
о Избор материјала:
Обично се користе челични лимови од силикона са високом пропусношћу и малим губитком гвожђа (нпр. ДВ540, 50ЈН400).
о Комбинација стуб-слот:
Ово је душа дизајна. Мора се одредити број прореза статора (Зс) и истакнутих полова ротора (Зр). Најчешћа комбинација је
Зр = 2П (број полова ротора једнак је двоструком броју парова полова), а Зс је вишекратник Зр. На пример, униполарни резолвер (П=1) често користи
Зс=4, Зр=2 ; биполарни резолвер (П=2) често користи
Зс=8, Зр=4 или
Зс=12, Зр=6.
о Облик прореза/пола:
Облик зубаца (паралелни, конусни) утиче на дистрибуцију магнетног поља и садржај хармоника. Димензије као што су ширина зубаца, ширина отвора утора и дебљина јарма захтевају оптимизацију да би се максимизирала основна магнетно-моторна сила (ММФ) и минимизирали хармоници прореза.
о Ваздушни јаз:
Величина ваздушног јаза је критична компромисна опција. Мали ваздушни зазор повећава однос трансформације и јачину сигнала, али повећава потешкоће у производњи, осетљивост на ексцентрицитет и таласање обртног момента. Велики ваздушни јаз има супротан ефекат. Типично дизајниран између 0,05 мм - 0,25 мм.
· Дизајн намотаја:
о Тип:
Користе се типично распоређени намотаји или концентрисани (зупчасти) намотаји. Дистрибуирани намотаји (један калем који обухвата више слотова) производе синусоидније магнетно поље, али су сложенији за производњу; концентрисани намотаји су једноставнији, али имају више хармонике.
о Прорачун завоја:
На основу циљног односа трансформације, побудног напона и фреквенције, одредите број завоја за побудни намотај и синусни/косинусни намотај путем електромагнетног прорачуна. Број завоја за два излазна намотаја мора бити стриктно идентичан.
о Метод повезивања:
Уверите се да су синусни и косинусни намотаји просторно удаљени стриктно 90 електричних степени.
3. Симулација и оптимизација магнетног поља (ФЕА симулација) – основни алат савременог дизајна
Чисто аналитички прорачуни су веома сложени и недовољно тачни. Софтвер за анализу коначних елемената (ФЕА) (нпр. ЈМАГ, АНСИС Маквелл, Симцентер Магнет) је од суштинског значаја.
· Симулација статичког поља:
Израчунајте дистрибуцију магнетног поља, матрицу индуктивности и излазни потенцијал под различитим угловима ротора.
· Симулација прелазног поља:
Примените стварни напон побуде да бисте симулирали таласни облик излазног напона, што прецизније одражава перформансе.
· Параметријска оптимизација:
Извршите параметарско претраживање и оптимизацију кључних димензија као што су облик зуба, ваздушни зазор и отвор утора да бисте минимизирали грешку (нпр. ТХД) и максимизирали однос трансформације.
· Анализа грешака:
Израчунајте електричну грешку кроз симулацију и анализирајте изворе грешке (нпр. хармонике, ефекат зупчаника, ефекат засићења).
4. Пројектовање механичких конструкција
· Кућиште и лежајеви:
Дизајнирајте потпорну структуру и изаберите одговарајуће лежајеве како бисте осигурали концентричност између ротора и статора и минималне варијације ваздушног зазора, док издржавају одређене вибрације и ударе.
· Прикључак осовине:
Дизајнирајте отворе за кључеве, глатки отвор или серво интерфејс да бисте обезбедили поуздану везу и пренос без зазора са вратилом мотора.
· Управљање топлотом:
Размотрите стварање топлоте из намотаја и губитке у гвожђу да бисте спречили прегревање у окружењима са високом температуром. Дизајн термичког пута је понекад неопходан.
· Електромагнетна заштита:
Додајте штит ако је потребно да спречите сметње од спољашњих магнетних поља.
5. Разматрање кола за обраду сигнала
Иако није део дизајна тела резолвера, мора се узети у обзир синергијски:
· РДЦ (Ресолвер-то-Дигитал Цонвертер):
Изаберите РДЦ чип (нпр. АД2С1205, АУ6802) који одговара импеданси резолвера и фреквенцији побуде. Усклађивање улазне импедансе је потребно током пројектовања.
· Коло за погон побуде:
Захтева струјни оп-амп струјни круг способан да обезбеди чист, стабилан синусни талас.
· Филтер Цирцуит:
Филтрирајте излазне сигнале да бисте потиснули високофреквентни шум и хармонике.
ИИИ. Изазови дизајна и кључне технологије
1. Потискивање хармоника:
Због нелинеарности његове варијације релуктантности, излазни напон ВР резолвера садржи богате хармонике, који су главни узрок грешке. Методе као што су
оптимизација комбинације полова и утора, искошење (прорези или полови) и додавање помоћних утора на зупцима статора могу ефикасно потиснути хармонике.
2. Тачност балансирања и цена:
Висока тачност подразумева прецизнију машинску обраду (мањи ваздушни зазор, већа концентричност), квалитетнији материјали (силицијумски челик вишег квалитета), сложенији дизајн (нпр. више парова полова, фракционих прореза) и строжије процесе, што доводи до наглог повећања трошкова.
3. Температурни дрифт:
Отпор намотаја и својства силицијум челика се мењају са температуром, узрокујући амплитуду и фазни помак. Потребна је компензација у колу или софтверу, или треба изабрати материјале са добром температурном стабилношћу током електромагнетног дизајна.
Резиме
Препоруке за дизајн:
1. Почните са спецификацијама:
Прво, темељно разумете специфичне захтеве вашег сценарија апликације у погледу тачности, величине и окружења.
2. Искористите доказана решења:
Почните са класичним комбинацијама штап-слот (нпр. 4-2, 8-4), пошто су оне проверена и поуздана полазна тачка.
3. Дизајн вођен симулацијом:
Не заустављајте се на теоријским прорачунима; одмах користити ФЕМ софтвер за креирање параметарског модела за симулацију и оптимизацију. Ово је кључно за побољшање стопе успеха дизајна и скраћивање развојних циклуса.
4. Итерација и тестирање:
Након израде прототипа, спроведите свеобухватне тестове перформанси (грешка, пораст температуре, вибрације, итд.), упоредите са резултатима симулације, анализирајте узроке разлика и пређите на следећу итерацију дизајна.
5. Размишљајте на нивоу система:
Размотрите и отклоните грешке сензора резолвера и низводног РДЦ кола као интегрисаног система.
Дизајн резолвера са променљивом релукцијом је веома практична технологија која захтева поновљене циклусе теорије, симулације и експериментисања.
